毕业论文运算放大器在单片机系统中的高性能应用

1、泰 山 学 院本科毕业论文运算放大器在单片机系统中的高性能应用 专 业 名 称 电子信息科学与技术 申请学士学位所属学科 理学 指导教师姓名、职称 2012 年 5 月 1 日摘 要目前单片机渗透到我们生活的各个领域，几乎很难找到哪个领域没有单片机的踪迹，例如：导弹的导航装置，飞机上各种仪表的控制，计算机的网络通讯与数据传输，工业自动化过程的实时控制和数据处理，广泛使用的各种智能ic卡，民用豪华轿车的安全保障系统，录像机、摄像机、全自动洗衣机的控制，以及程控玩具、电子宠物等等，这些都离不开单片机；更不用说自动控制领域的机器人、智能仪表、医疗器械以及各种智能机械了；此外单片机还广泛应用于仪器仪表

2、、家用电器、医用设备、航空航天、专用设备的智能化管理及过程控制等领域。因此，单片机的学习、开发与应用将至关重要。.用单片机可以构成形式多样的控制系统、数据采集系统。例如：工厂流水线的智能化管理，电梯智能化控制、各种报警系统，与计算机联网构成二级控制系统等。可以这样说，现在的家用电器基本上都采用了单片机控制，从电饭煲、洗衣机、电冰箱、空调机、彩电、其他音响视频器材、再到电子秤量设备，五花八门，无所不在。而在单片机系统中需要运算放大器的集成电路或者改进的运放来进行运算并放大，例如积分电路在单片机数据采集系统中就有应用，不仅实现了运放的高性能应用，而且还大大降低了企业的成本。本论文主要研究运放在单片

3、机系统中的高性能应用，进一步改善提高系统 的最优化和性价比，研究意义重大。关键词：运算放大器； 单片机 ；高性能应用abstractcurrently microcontroller penetrated into every aspect of our lives, its almost impossible to find which areas no traces of single-chip microcomputer, for example: the missile navigation device, various instruments on the aircraft con

4、trol, computer network communication and data transmission, industrial automation of the real-time control and data processing, widely used in all kinds of intelligent ic card, civil limousine security system, video recorders, cameras, full automatic washing machine control program, as well as toys,

5、 electronic pets, which is inseparable from the microcontroller; not to mention the field of automatic control of robot, intelligent instrument, medical equipment and various intelligent machine; in addition the scm is also widely used in instrumentation, household appliances, medical equipment, aer

6、ospace, and special equipment intelligent management and process control and other fields. therefore, the single-chip learning, development and application will be crucial. . mcu can constitute various forms of control system, data acquisition system. for example: the factory assembly line intellige

7、nt management, intelligent elevator control, all kinds of alarm systems, and computer networking. two level control system. it can be said, now the home appliance basically adopts single-chip microcomputer control, from rice cookers, washing machine, freezer, color television, air conditioner, other

8、 audio and video equipment, and then to the electronic weighing equipment, all kinds of, omnipresent.in the scm system need operational amplifier integrated circuit or improved operational amplifier to make operation and amplification, such as integral circuit in microcomputer based data acquisition

9、 system is applied, not only to achieve the operational amplifier of the high performance applications, but also greatly reduces the cost of the enterprise. this paper mainly studies the operational amplifier in the scm system of high performance applications, further improving system optimization a

10、nd performance price ratio, is of great significance.key words: operational amplifier ； single chip microcomputer ； high performance application目 录1. 引言-11.1 运算放大器发展概况及研究现状-11.2 本论文的选题和研究内容-22. 设计（集成）运放的性能指标-32.1 运算放大器的主要类型-32.2 运算放大器的主要参数-73. 单片机中运放高性能应用部分案例分析-73.1 积分电路在单片机数据采集系统中的应用-73.2 dac0832程控

11、增益放大器、icl7650在单片机系统中的应用-4. 5.6. 结束语-参考文献-致 谢- -1. 引言1.1运算放大器发展概况及研究现状 近年来，全球市场尤其是亚洲市场对家电（如电磁炉）、工业设备（如电动工具、自动测试机）上搭载含运算放大器功能的小型系统控制（单片机）的需求开始激增。运算放大器自1963年问世以来，已经走过了40余年的发展道路，并已成为所有线性系统中事实上的标准部件。目前几乎每个大型半导体制造商的产品线中都有运算放大器这个产品。现今的运算放大器可以起到放大器、缓冲器、比较器、差分放大器、线路驱动器、积分器、电平转换器、峰值检波器、滤波器、光电二极管放大器等很多功能。其应用已经

12、延伸到汽车电子、通信、消费等各个领域，几乎每个电子产品都离不开运算放大器，可以说，运算放大器在电子产品设计中发挥着巨大的作用。 显然，运算放大器还将在支持未来技术方面扮演着非常重要的角色。而运算放大器本身也随着半导体技术的演进而演进。在运算放大器的实际应用中，设计工程师经常遇到诸如选型、供电电路设计、偏置电路设计、pcb设计等方面的问题，近年来，随着集成芯片ic制造工艺的发展和电路结构的更新，高性能运算放大器得到了迅速发展，使得运放在电视技术、通信技术、多媒体技术、精密测量、精密控制以及一般的电子电路设计等领域得到了非常广泛的应用。国内由于各种原因运放的技术发展缓慢，特别是高性能工艺的运放基本

13、上处于试制与小型生产阶段，多数产品没有形成批量而投放市场；国外各大ic设计与制造公司在高性能运算放大器的研究方面一直在不断地发展，新型的电路结构设计、对特殊参数要求的新产品不断面市，特殊行业的高性能运放也能很快的设计和生产。一方面，这与其多年来的研究积累有很大关系；另一方面，也与其对通用新型电路的重视是分不开的。同时运放是模拟集成电路的基本模块，对于其他功能电路（如pll a/d d/a 开关电容）的研发有积极的技术支撑作用，这也是国外各大设计与制造单位重视运放研究的原因之一。1.2 本论文的选题和研究内容 有些微弱信号，为了高精度、高速度地检测出，就需要运算放大器的应用。多路的运算放大器，可

14、应用于多种高速采样、报警器电路、自动控制电器和测量技术，也可以用于断路保护、快速传感、电源电压以及过零检测电路等领域，研究运放高性能应用还有助于开发其它辅助功能（例如搭载具有擦/写操作的高性能闪存），还减少了外部元件数量，降低了成本。 运算放大器是模拟电路设计中的基本功能单元，小尺寸、高性能始终是设计人员的追求目标! 在许多需要a/d转换和数字采集的单片机系统中，很多情况下，传感器输出的模拟信号都很微弱，必须通过一个模拟放大器对其进行一定倍数的放大，才能满足a/d转换器对输入信号电平的要求，这种情况下，就必须选择一种符合要求的放大器。仪表器的选型很多，我们这里介绍一种用途非常广泛的仪表放大器，

15、其实就是典型的差动放大器。它只需三个廉价的普通运算放大器和几只电阻器，即可构成性能优越的仪表用放大器。广泛应用于工业自动控制、仪器仪表、电气测量、医疗器械及其它数字采集的系统中。因此，在单片机应用系统中，常常遇到模数转换的问题。为了降低成本，有时采用现成的高精度的a/d转换器或v/f转换器并不合算，而单片机的多种功能又没有得到充分利用。事实上，我们可根据单片机的特点，利用积分电路实现高性能、低成本的模数装换。所以研究高性能的运放应用于如今运用广泛的单片机中，势在必行。 运算放大器被认为是神奇而万能的器件，在很多电子系统中发挥着举足轻重的作用。利用运放可以实现信号的放大、调理、滤波等多种功能，在

16、个人数据助理、通信、汽车电子、音影产品、仪器仪表、传感器等领域有广泛的应用。因此设计时充分挖掘单片机中需要运放来提高和需要改善哪些性能。例如积分电路在单片机数据采集系统中的应用，dac0832程控增益放大器、icl7650在单片机系统中的应用等。2. 设计（集成）运放的性能指标2.1 运算放大器的主要类型 通用型运算放大器:以通用为目的而设计的。这类器件的主要特点是价格低廉、产品量大面广,其性能指标能适合于一般性使用。例a741（单运放）、lm358（双运放）、lm324（四运放）及以场效应管为输入级的lf356都属于此种。它们是目前应用最为广泛的集成运算放大器。图 1 高阻型运算放大器:差模

17、输入阻抗非常高,输入偏置电流非常小,一般rid1g1t,ib为几皮安到几十皮安。实现这些指标的主要措施是利用场效应管高输入阻抗的特点,用场效应管组成运算放大器的差分输入级。用fet作输入级,不仅输入阻抗高,输入偏置电流低,而且具有高速、宽带和低噪声等优点,但输入失调电压较大。常见的集成器件有lf355、lf347（四运放）及更高输入阻抗的ca3130、高速型运算放大器：在快速a/d和d/a转换器、视频放大器中,要求集成运算放大器的转换速率sr一定要高,单位增益带宽bwg一定要足够大,像通用型集成运放是不能适合于高速应用的场合的。高速型运算放大器主要特点是具有高的转换速率和宽的频率响应。常见的运

18、放有lm318、a715等,其sr=5070v/us,bwg20mhz。ca3140等。图 2低温漂型运算放大器：在精密仪器、弱信号检测等自动控制仪表中,总是希望运算放大器的失调电压要小且不随温度的变化而变化。低温漂型运算放大器就是为此而设计的。目前常用的高精度、低温漂运算放大器有op07、op27、ad508及由mosfet组成的斩波稳零型低漂移器件icl7650等。高速型运算放大器：在快速a/d和d/a转换器、视频放大器中,要求集成运算放大器的转换速率sr一定要高,单位增益带宽bwg一定要足够大,像通用型集成运放是不能适合于高速应用的场合的。高速型运算放大器主要特点是具有高的转换速率和宽的

19、频率响应。常见的运放有lm318、a715等,其sr=5070v/us,bwg20mhz。低功耗型运算放大器：由于电子电路集成化的最大优点是能使复杂电路小型轻便,所以随着便携式仪器应用范围的扩大,必须使用低电源电压供电、低功率消耗的运算放大器相适用。常用的运算放大器有tl-022c、tl-060c等,其工作电压为2v18v,消耗电流为50250a。目前有的产品功耗已达w级,例如icl7600的供电电源为1.5v,功耗为10mw,可采用单节电池供电。图 3高压大功率型运算放大器：运算放大器的输出电压主要受供电电源的限制。在普通的运算放大器中,输出电压的最大值一般仅几十伏,输出电流仅几十毫安。若要

20、提高输出电压或增大输出电流,集成运放外部必须要加辅助电路。高压大电流集成运算放大器外部不需附加任何电路,即可输出高电压和大电流。例如d41集成运放的电源电压可达150v,a791集成运放的输出电流可达1a。可编程控制运算放大器：在仪器仪表得使用过程中都会涉及到量程得问题.为了得到固定电压得输出,就必须改变运算放大器得放大倍数.例如:有一运算放大器得放大倍数为10倍,输入信号为1mv时,输出电压为10mv,当输入电压为0.1mv时,输出就只有1mv,为了得到10mv就必须改变放大倍数为100。程控运放就是为了解决这一问题而产生的。例如pga103a,通过控制1,2脚的电平来改变放大的倍数。图42

21、.2 运算放大器的主要参数 共模输入电阻(rincm):该参数表示运算放大器工作在线性区时，输入共模电压范围与该范围内偏置电流的变化量之比。 直流共模抑制(cmrdc):该参数用于衡量运算放大器对作用在两个输入端的相同直流信号的抑制能力。 运算放大器交流共模抑制(cmrac):用于衡量运算放大器对作用在两个输入端的相同交流信号的抑制能力，是差模开环增益除以共模开环增益的函数。 增益带宽积(gbw):增益带宽积是一个常量，定义在开环增益随频率变化的特性曲线中以-20db/十倍频程滚降的区域。 输入偏置电流(ib):该参数指运算放大器工作在线性区时流入输入端的平均电流。 输入偏置电流温漂(tcib

22、):该参数代表输入偏置电流在温度变化时产生的变化量。tcib通常以pa/c为单位表示。 运算放大器输入失调电流(ios):该参数是指流入两个输入端的电流之差。 输入失调电流温漂(tcios)：该参数代表输入失调电流在温度变化时产生的变化量。tcios通常以pa/c为单位表示。 差模输入电阻(rin)：该参数表示输入电压的变化量与相应的输入电流变化量之比，电压的变化导致电流的变化。在一个输入端测量时，另一输入端接固定的共模电压。 输出阻抗(zo)：该参数是指运算放大器工作在线性区时，输出端的内部等效小信号阻抗。 输出电压摆幅(vo)：该参数是指输出信号不发生箝位的条件下能够达到的最大电压摆幅的峰

23、峰值，vo一般定义在特定的负载电阻和电源电压下。 功耗(pd)：表示器件在给定电源电压下所消耗的静态功率，pd通常定义在空载情况下。 运算放大器电源抑制比(psrr)：该参数用来衡量在电源电压变化时运算放大器保持其输出不变的能力，psrr通常用电源电压变化时所导致的输入失调电压的变化量表示。 转换速率/压摆率(sr)：该参数是指输出电压的变化量与发生这个变化所需时间之比的最大值。sr通常以v/µs为单位表示，有时也分别表示成正向变化和负向变化。 电源电流(icc、idd)：该参数是在指定电源电压下器件消耗的静态电流，这些参数通常定义在空载情况下。 单位增益带宽(bw)：该参数指开环

24、增益大于1时运算放大器的最大工作频率。 输入失调电压(vos)：该参数表示使输出电压为零时需要在输入端作用的电压差。 输入失调电压温漂(tcvos)：该参数指温度变化引起的输入失调电压的变化，通常以µv/c为单位表示。 输入电容(cin)：cin表示运算放大器工作在线性区时任何一个输入端的等效电容(另一输入端接地)。 输入电压范围(vin)：该参数指运算放大器正常工作(可获得预期结果)时，所允许的输入电压的范围，vin通常定义在指定的电源电压下。 输入电压噪声密度(en)：对于运算放大器，输入电压噪声可以看作是连接到任意一个输入端的串联噪声电压源，en通常以 nv / 根号hz 为

25、单位表示，定义在指定频率。 输入电流噪声密度(in)：对于运算放大器，输入电流噪声可以看作是两个噪声电流源，连接到每个输入端和公共端，通常以 pa / 根号hz 为单位表示，定义在指定频率。 理想运算放大器参数：差模放大倍数、差模输入电阻、共模抑制比、上限频率均无穷大；输入失调电压及其温漂、输入失调电流及其温漂，以及噪声均为零。3. 单片机中运放高性能应用部分案例分析3.1 积分电路在单片机数据采集系统中的应用l 利用积分电路实现 a/ d 转换的原理: 运放 u 1 用来组成积分器 , v i 是经放大后的信号电压, v ref 是电压值恒定的基准电压, 设 v i 0 , v ref 0

26、。运放 u 2 作过零比较器, 其输出端通过一个电阻接到单片机的一个外部中断输入端 in t0 , 当此端跳变为低电平“0”时引起单片机进行一次外部中断处理过程。u 3 是四通道模拟开关,依次改变 p10 和 p11 的输出值就可分别对 v i和 v ref 积分。另外用单片机内部的一个定时计数器对内部时钟进行计数。该电路进行模数转换的原理如下:1) 对信号电压 v i积分一段固定时间 t ( 由程序设定, 通常为几十 ms) ,假设在时间 t 内 v i 基本保持不变, 则有 v o =- v c = -v it 0 。此时r cin t 0 端为逻辑高电平“1”。2) 对基准电压 v re

27、f 进行反向积分, 此时v refv o = -v c-( t - t)r ref cv i- v ref()= -r c t + r ref c t x1式中 t x = t - t 为反向积分时间。在开始反向积分的时刻 ,启动单片机内部定时器 t0 对频率为f 的内部时钟计数 ,当 v o 0 时 , 比较器 u2 立即翻转为低电平“0”,向单片机提出中断请求。单片机响应中断请求后在中断服务程序中停止反向积分并终止t0 计数 ,在读出 t0 的计数值 n 后又重新对 v i 积分,重复上述过程。此时 t x =n。将此式和 v 0 = 0f代入式( 1) , 可得tf r refn =v

28、i- v ref r可见 n 与 v i 成线性关系。实际上 , n 正是对 v i 进行模数转换的结果。转换周期为ta d = t +nf这个积分与反向积分的过程如图 2 所示。 关键参数的确定方法: 先根据实际情况对转换精度的要求确定 n , 然后结合转换速度的要求, 由式( 3) 求出 t , 再按式( 4) 求出 v ref ,按式 ( 5) 确定 r 和 c 的取值。例如 , 我们要求内码不低于60000 ,转换速度不低于每秒 12 次 , 设 f = 1m hz , | v max| 6v , v dd - v s s = 15v ,则取 n =60000 , t = 20ms ,

29、 v ref = - 2v ,c = 0147f ,r = 36k即可。 单极性电源供电的 a/ d 转换电路:为化供电电源 , 我们常常希望采用单极性电源供电。为此需将所有模拟信号的电位平移v dd( v dd 是为2运放供电的单极性正电源) , 如图 3 所示。图中的 v dd = + 15 v 。为便于理解, 图中将放大、滤波电路部分也一并画出。u5 、u6 构成差动放大电路 , v s + 和 v s - 为来自传感器的两信号输入端。u 4 接成一个电压跟随器, 一方面提供 7 . 5 v 的平移电位, 另一方面经电阻 r 3 、r 4 分压后提供积分基准电压 v ref 。根据理想运

30、放的特性不难求出 相关软件设计进行软件设计时应注意两个问题:1) 避免外中断 in t0 引起误中断 ,应在定时器t0 中断服务程序中开 in t0 中断 ,而在 in t0 中断服务程序中关 in t0 中断。2) 在程序指令编排时应尽量设法减少因延迟引起的误差。图中选用 mcs - 51 系列单片机 ,12m hz 晶振 ,则定时器 t0 的计数时钟频率 f 为 1m hz。因正向积分的定时和反向积分时的计数不同时 ,故可共用一个定时/ 计数器 t0 ,且都工作在定时器方式的模式 1 。设 p11 、p10 输出“00 ”时 , 对 v i 积分 , 输出“01”时对 v ref 积分 ,

31、输出其他值时不积分。按图 3所示的硬件电路 ,有关的程序如下(程序中的 x 可为“0”或“1”,具体取值由系统的其他功能确定) :主程序j m p ma inma in :orl p1 , # 03 h ; 禁止积分mov tmod , # xxxx0001b ; t0 定时器方 式 ,模式 1mov th0 , # 4 ehmov tl0 , # 20 h ; t0 赋计数初值 ,设定 t= 20msmov ip , # 00000011b ; t0 、in t0 中断优先级为高mov ie , # 1xxxxx10b ; 开 t0 中断 , 关in t0 中断mov tcon , # xx

32、11xx00b ; in t0 低电平触 发 ,启动 t0anl p1 , # 0 fch ; 开始对 v i 积分t0 中断服务程序 orl p1 , # 03 h ; 停止正向积分 cl r tr0 ; 停止 t0 计数 mov th0 , # 0 ffhmov tl0 , # 0 ffh ; t0 赋计数初值 setb tr0 ; 启动 t0 计数anl p0 , # 0 fdh ; 开始对积分 setb ie. 0 ; 开外中断 in t0retiin t0 中断服务程序 orl p1 , # 03 h ; 停止反向积分 cl r tr0 ; 终止 t0 计数pu sh psw ; 程

33、序状态字入栈保护 pu sh a ; 累加器入栈保护 mov a , th0cpl amov 41 h , amov a , tl0cpl amov 40 h , a ; 读出 t0 的计数值到 41 h 和 40 h 两单元中mov th0 , # 4 eh mov tl0 , # 20 h ; t0 赋 20ms 初值 setb tr0 ; 启动 t0anl p1 , # 0 fch ; 开始对 v i 积分 cl r ie. 0 ; 关外中断 in t0 ; 有关寄存器入栈保护 ; 数据处理及送显示 ; 有关寄存器出栈恢复pop a ; 累加器出栈恢复pop psw ; 程序状态字出栈恢

34、复reti 特点及适用场合本电路充分利用了单片机功能强大、应用灵活、成本低廉、可靠性高的优势 ,包括信号放大、a/ d 转换电路一起所需的主要元件仅仅一个四通道模拟开关、两个双运放、一个单运放 ,因而结构简单 ,性价比高。实际应用表明 ,效果良好。从前面的原理分析可知 ,积分电路存在固有的延迟 ,若想提高转换速度 ,必须以降低转换精度为代价 ,因此本电路不适合采集连续快速变化的信号 ,但可广泛应用在对精度要求较高但实时性要求不是很高的智能仪表中 ,如各种数字化的温度、压力、电压。3.2 程控增益放大器的设计分析6.结束语毕业题目中，我发现了运放在单片机系统中的高性能应用这个课题，便毫不犹豫的选择了它。想到自己在运放高性能应用方面懂得有所欠缺，这次又有这个机会，我想继续深入下去，把以前的很多想法，许多不够完善的地